FR3068820A1 - Assemblage pour reacteur nucleaire de type rnr-na, a liaison sans soudure reversible entre le boitier d'assemblage et un element d'assemblage insere dans le boitier - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un assemblage destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, notamment dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium RNR-Na, comportant : - un corps creux d'assemblage (12), de forme allongée selon un axe longitudinal X, la paroi du corps creux comportant au moins une ouverture débouchante ; - un élément d'assemblage (14) inséré au moins en partie dans le corps creux (12), l'élément d'assemblage (14) comportant au moins une lame flexible (20) dont l'extrémité libre est conformée en crochet d'encliquetage (21) coopérant par encliquetage avec l'ouverture débouchante depuis l'intérieur du corps creux, de sorte à lier l'élément d'assemblage au corps creux; - au moins un moyen amovible de verrouillage de la lame flexible (20) encliquetée dans l'ouverture débouchante (122), le moyen amovible de verrouillage permettant d'empêcher la flexion de la lame flexible et ainsi de verrouiller la liaison entre l'élément d'assemblage et le corps creux.

Description

ASSEMBLAGE POUR REACTEUR NUCLEAIRE DE TYPE RNR-Na, A LIAISON
SANS SOUDURE REVERSIBLE ENTRE LE BOITIER D’ASSEMBLAGE ET UN
ELEMENT D’ASSEMBLAGE INSERE DANS LE BOITIER
Domaine technique
La présente invention concerne un assemblage destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de « Sodium Fast Reactor ») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.
L’invention vise à proposer en premier lieu un assemblage combustible qui puisse être utilisé à court terme dans le projet de démonstrateur technologique français de réacteur de quatrième génération baptisé ASTRID.
L’invention vise plus particulièrement à proposer une liaison sans soudure entre le corps creux d’assemblage constitué par un tube à section hexagonale et le corps de la protection neutronique supérieure (PNS) d’un assemblage combustible pour réacteur RNR-Na, liaison qui peut être réalisée en présence du faisceau d’aiguilles combustibles dans l’assemblage.
Les assemblages combustibles visés par l’invention peuvent être aussi bien utilisés dans un réacteur nucléaire de type intégré, c’est-à-dire pour lequel le circuit primaire de sodium avec des moyens de pompage est totalement contenu dans une cuve contenant également et des échangeurs de chaleur, que dans un réacteur de type à boucles, c’est-à-dire pour lequel les échangeurs intermédiaires de chaleur et les moyens de pompage du sodium primaire sont situés hors de la cuve.
Par assemblage, on entend un ensemble chargé et/ou déchargé dans/depuis un réacteur nucléaire.
Par assemblage combustible, on entend un assemblage comprenant des éléments combustibles et chargé et/ou déchargé dans/depuis un réacteur nucléaire.
Par assemblage combustible de type RNR-Na ou SFR, on entend un assemblage combustible adapté pour être irradié dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR.
Bien que décrite en référence à l’application principale visée, à savoir un assemblage combustible pour réacteur nucléaire, l’invention peut s’appliquer à tout type d’assemblage pour réacteur nucléaire, tel qu’un réflecteur, une Protection Neutronique Latérale (PNL), une barre de commande, un assemblage expérimental, un dispositif complémentaire de sûreté...
État de la technique
Les assemblages combustibles destinés à être utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide (RNR-Na), présentent une structure mécanique particulière afin notamment de laisser passer le sodium liquide en leur sein.
On a représenté en figure 1, un assemblage combustible 1 déjà utilisé dans le réacteur nucléaire RNR-Na connu sous la dénomination « Phénix ».
Un tel assemblage 1 de forme allongée selon un axe longitudinal X comprend tout d’abord un tube ou boîtier 10 à section hexagonale, qui comprend une portion supérieure 11 formant la tête de préhension de l’assemblage, un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) avec un corps 14, et une portion centrale 12 constituant le corps creux de l’assemblage qui enveloppe des aiguilles de combustible 120. La tête 11 de l’assemblage comporte une ouverture centrale 110 débouchant en son sein et est généralement liée à la PNS ou à la portion centrale 12 par soudage.
Le dispositif de protection neutronique supérieure contient des blocs 140 de matériau absorbant les neutrons tel que le carbure de bore B4C et/ou de l’acier. Son rôle est d’atténuer le flux de neutrons et de protéger les structures internes et le couvercle de la cuve primaire. Le corps de la PNS 14 est généralement lié à la portion centrale 12 par soudage.
L’assemblage 1 comprend également une portion inférieure 13 formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boîtier hexagonal 10. Le pied 13 de l’assemblage présente une extrémité distale 15 en forme de cône ou arrondie pour pouvoir être insérée à la verticale dans les chandelles du sommier (support) d’un cœur de réacteur. Le pied 13 de l’assemblage comporte à sa périphérie des ouvertures 16 débouchant en son sein.
Ainsi, en configuration installée d’un assemblage combustible, c’est-à-dire en position chargée dans un cœur de réacteur, le pied 13 d’un assemblage 1, de forme mâle, est inséré dans une ouverture du sommier du réacteur en maintenant ainsi l’assemblage 1 dans ce dernier avec son axe longitudinal X à la verticale.
Le sodium primaire peut circuler à l’intérieur du boîtier 10 de l’assemblage 1 et ainsi véhiculer par conduction thermique la chaleur dégagée par les aiguilles combustibles. Le sodium est ainsi introduit par les ouvertures 16 du pied 13 et sort par l’ouverture centrale 110 de la tête 11, après avoir traversé le faisceau d’aiguilles combustibles.
La portion centrale 12 d’un assemblage comprend une pluralité d’aiguilles 120 de combustible nucléaire. Chaque aiguille se présente sous la forme d’un tube de gaine cylindrique étanche à l’intérieur de laquelle est empilée une colonne de pastilles de combustible fissile (ou fertile) au sein desquelles se produisent les réactions nucléaires qui dégagent de la chaleur.
Toutes les colonnes définissent ce que l’on dénomme usuellement la zone fissile (ou fertile) qui est approximativement située à mi-hauteur d’un assemblage 1.
Tous les assemblages d’un même réacteur sont agencés verticalement sur un sommier pour former un cœur à réseau compact à maille hexagonale.
Les assemblages en position sur le sommier sont espacés les uns des autres au niveau de leur base (pied), typiquement de quelques mm entre les faces en regard de deux boîtiers à section hexagonale adjacents.
Il est nécessaire que cet espacement soit maintenu sensiblement constant sur toute la hauteur de l’assemblage au cours du fonctionnement du réacteur.
En effet, un rapprochement de deux assemblages combustibles adjacents conduit immédiatement à une insertion de réactivité, i.e. une augmentation rapide de puissance, pouvant avoir des conséquences lourdes, telles qu’une surchauffe, un bouchage..., et conduire à un accident de fusion du cœur.
Pour pallier cela, il est connu dans les réacteurs RNR-Na existants, d’ajouter des dispositifs d’espacement 121 dans la partie haute du boîtier des assemblages, juste au-dessus des aiguilles fissiles.
Généralement, ces dispositifs sont agencés à une hauteur environ égale aux 2/3 de la hauteur de l’assemblage faisant saillie au-dessus du sommier.
Ces dispositifs d’espacement, usuellement appelés « plaquettes », consistent essentiellement en des bossages, c’est-à-dire des surépaisseurs, faisant saillie vers l’extérieur du corps d’assemblage. Chaque face de la section hexagonale du boîtier est pourvue d’un bossage (plaquette).
On retrouve de telles plaquettes d’espacement dans les barres d’arrêt d’urgence, plus précisément, sur la périphérie extérieure d’une bague dite bague porte-patins, sensiblement au même niveau longitudinal que des surépaisseurs intérieures usuellement appelées « patins ».
Dans un assemblage combustible, la réalisation de la liaison entre la portion centrale 12 et le corps de PNS 14, ou entre le corps de PNS 14 et la tête de préhension 11, doit respecter un certain nombre de contraintes. En particulier, dans un assemblage dédié à un assemblage nucléaire refroidi au sodium, la liaison doit respecter les contraintes majeures suivantes :
i/ être compatible avec la fabrication et le montage de l’assemblage, ii/ résister aux efforts pendant les phases de fonctionnement et de manutention et, iii/ ne pas générer de corps migrants dans le circuit de circulation de sodium primaire.
Dans le cadre des assemblages combustibles des réacteurs RNR-Na connus sous le nom respectivement de « Phénix » et de « Superphénix », cette liaison a été réalisée par soudage.
Le retour d’expérience en fabrication sur cette liaison sans soudure n’a pas été complètement satisfaisant. Non seulement les soudures se sont avérées difficiles à réaliser, mais leur contrôle se fait par éprouvettes, ce qui entraîne un délai entre la réalisation de l’éprouvette et le moment où les résultats sont disponibles. En outre, le faisceau d’aiguilles combustibles est mis en place dans le tube hexagonal avant d’effectuer la liaison par soudure entre ce dernier et les pièces massives autour, ce qui implique des soudages avec des protections, et des manutentions d’assemblages longues et coûteuses pendant les opérations de soudage, de contrôle ou de réparation. Enfin, une soudure défectueuse, réalisée avec le faisceau d’aiguilles combustibles en place, entraînerait la perte complète de l’assemblage.
Actuellement, dans le cas des assemblages combustibles envisagés pour le réacteur ASTRID, les isotopes présents dans le combustible neuf génèrent une radioactivité et un échauffement beaucoup plus importants que pour les assemblages Phénix et Superphénix. La radioprotection des opérateurs devient donc une question essentielle. Il est en effet exclu qu’un opérateur réalise des soudures et le contrôle de celles-ci lorsque les aiguilles combustibles sont dans l’assemblage, ce qui est le cas si on doit réaliser la soudure entre le tube hexagonal 12 et le corps de PNS 14.
A contrario, la soudure entre la portion centrale 12 et le pied de l’assemblage 13 est réalisée avant le montage des aiguilles dans l’assemblage.
Il est ainsi recommandé d’effectuer toute soudure avant la mise en place du faisceau d’aiguilles et de n’effectuer après cette mise en place que des opérations sans soudure dont la réalisation et le contrôle sont plus aisés.
Cette recommandation est d’autant plus nécessaire que l’utilisation, dans le cadre d’ASTRID, d’une portion centrale en acier ferritique, de type EM10, impliquerait en outre un traitement thermique haute température de stabilisation après soudure, car la PNS est réalisée en un acier d’un autre type, en l’occurrence de l’acier austénitique.
Les études réalisées pour les recharges d’assemblages Superphénix proposaient, pour résoudre ce problème, une liaison emboutie entre la PNS 14 et la portion centrale 12, comme détaillée dans le brevet FR 2544122. Dans ce type de liaison, le boîtier hexagonal de la portion centrale est déformé par un poinçon sphérique au milieu de chacune de ses faces et est ainsi embouti dans des empreintes usinées dans les faces de la PNS.
Cette solution est relativement bien adaptée à la géométrie des assemblages de Superphénix, étant donné la place disponible axialement (hauteur d’emmanchement entre la PNS et le boîtier hexagonal) et la forte épaisseur de la PNS en acier qui permettent de garantir une bonne géométrie d’emboutissage sans risque de déformation de la PNS. Cependant, cette liaison emboutie nécessite d’avoir des empreintes dans la PNS suffisamment profondes pour garantir une résistance mécanique à l’arrachement de l’embouti qui soit suffisante et d’avoir une épaisseur de la PNS suffisante pour exclure toute déformation de cette dernière pendant la phase d’emboutissage.
Or, les inventeurs ont analysé que l’épaisseur du corps de la PNS des assemblages dédiés au réacteur ASTRID, tels que prévus, est trop faible pour réaliser ce type de liaison avec fiabilité. Ainsi, une opération d’emboutissage présente un sérieux risque de déformation de la PNS. Quand bien même l’emboutissage serait réalisable en ajoutant un contre-poinçon escamotable, il faudrait en vérifier la résistance mécanique via des essais de traction (arrachement) simulant les efforts de manutention. Compte-tenu de l’épaisseur du TH réduite par rapport aux assemblages de Superphénix, ainsi que d’une profondeur d’empreintes plus faible en raison d’une épaisseur de PNS réduite, les inventeurs pensent qu’on peut s’attendre à une moindre résistance mécanique de la liaison.
Par conséquent, les inventeurs pensent qu’il n’est pas techniquement envisageable de réaliser une liaison par emboutissage entre le corps de la PNS et le corps de l’assemblage (tube hexagonal) dans le cas d’un assemblage combustible dédié à ASTRID, car le respect des contraintes majeures i/ et ii/ précitées ne serait pas assuré.
Une autre solution alternative à la soudure envisagée dans le cadre des études de conception de Superphénix consistait à réaliser une liaison par pions. Ce type de liaison est réalisé en emmanchant le corps de la PNS dans la portion centrale formant le corps creux de l’assemblage combustible et en solidarisant ces deux éléments par l’emmanchement en force de pions dans des orifices de la PNS. Plusieurs pions par face seraient nécessaires afin d’obtenir une résistance mécanique satisfaisante.
Le montage des pions présente néanmoins le risque de déformation de la pièce à l’intérieur lorsque celle-ci est de faible épaisseur, comme c’est le cas pour la tête d’assemblage et la bague porte-patins des assemblages combustibles et barres d’arrêt dédiés à ASTRID. Le montage ajusté des pions nécessite de plus une grande précision vis-à-vis des tolérances de positionnement, sans doute incompatible avec le jeu nécessaire entre les pièces pour le montage. Le respect de la contrainte i/ précitée ne peut donc être garanti.
En outre, une liaison par pions présente un risque important de perte ou de détachement de l’un des pions, conduisant à des corps migrants dans le sodium primaire et donc possiblement à de lourdes conséquences concernant la sûreté et l’opérabilité du réacteur. En d’autres termes, la contrainte iii/ précitée ne peut être respectée.
Le brevet JPH07260973A fait référence à une solution alternative à la soudure pour la liaison entre la portion centrale et la tête d’assemblage à sections hexagonales dans un assemblage combustible pour réacteur à neutrons rapides. La solution divulguée consiste en une liaison par bride rapportée entre la tête d’assemblage et la portion centrale. Ces dernières sont alignées et mises en butée par leur bout selon un contact plan. Sur chaque face de la tête et de la portion centrale, une cavité avec restriction de section est usinée dans l’épaisseur de la pièce. Une bride est rapportée pour venir se loger dans la cavité de la tête et de la portion centrale et fixée par vissage, solidarisant de cette manière les deux éléments.
Les inventeurs pensent que cette solution de liaison par bridage n’est pas envisageable dans le cadre d’assemblages pour le réacteur ASTRID. En effet, tout d’abord la liaison en bout-à-bout et sans emmanchement ne peut pas respecter les contraintes ii/ de résistance mécanique, notamment lorsque la liaison est sollicitée en flexion sous des efforts latéraux en fonctionnement du réacteur. De plus, cette liaison par bridage nécessite une tête d’assemblage suffisamment épaisse pour pouvoir y usiner une cavité. Les inventeurs estiment qu’une épaisseur de l’ordre de 10 mm serait nécessaire, alors que l’épaisseur disponible pour une tête d’assemblage d’un assemblage combustible dédié à ASTRID est seulement de Tordre de 5 mm. Enfin, les fixations par vis de la bride présentent sous sollicitations mécaniques des risques de dévissage qui pourraient conduire, en plus de la perte de la liaison et donc à l’impossibilité de retirer l’assemblage, à la génération de corps migrants dans le sodium, et donc potentiellement à des conséquences lourdes telles que la perte de refroidissement d’un assemblage causée par un bouchage partiel. La liaison par vis pourrait être sécurisée par une soudure d’arrêt, mais les inventeurs estiment que ce moyen n’offre pas une garantie de sûreté suffisante. Aucune solution mécanique de prévention de perte d’une vis ou d’une bride, plus sûr, n’est divulguée dans ce brevet. Ainsi, les contraintes ii/ et iii/ ne peuvent être respectées avec ce type de liaison par brides rapportées et fixées par vis.
La demande de brevet CN104575629A divulgue une liaison démontable entre deux tubes de guidage d’assemblage d’un mécanisme de commande pour réacteur à eau pressurisée, sans qu’aucune mise en œuvre à une liaison entre deux parties d’un corps d’assemblage ne soit envisagée. Cette liaison est prévue pour réaliser de nombreux montages/démontages en aveugle, sous eau du réacteur. L’un des deux tubes comporte deux lames flexibles dont l’extrémité en surépaisseur va s’accrocher dans une cavité à l’intérieur du second tube. Le démontage de la liaison est réalisé par l’application d’une pression selon Taxe du tube en bout des lames flexibles. Un verrouillage mécanique des lames dans leur position accrochée est réalisé au moyen d’une bague interne au tube. Cette bague a également pour fonction d’assurer le centrage entre les deux tubes. Le mode de démontage de la liaison nécessite une pression axiale simultanée en bout des lames. La liaison nécessite l’utilisation d’un ressort de rappel entre les deux tubes afin de supprimer le jeu axial dans la liaison. La mise en place de la bague et du ressort peut ne pas être aisée.
Par ailleurs, dans le cadre des barres de contrôle/commande et plus particulièrement des barres d’arrêt des réacteurs Phénix et Superphénix, la liaison entre la bague porte-patins et la portion centrale (corps d’assemblage) de la barre est usuellement réalisée par soudage sur deux tronçons de la portion centrale.
Or, la conception du cœur dit « Cœur à Faible Vidange » d’ASTRID conduirait à un décalage du flux vers le haut de l’assemblage, donc à une dose plus importante au niveau des soudures entre la bague porte-patins et la portion centrale, si une telle liaison par soudure était retenue. Ceci met en péril la tenue des soudures sous flux, en particulier en tenant compte du fait que la durée de vie visée est plus longue par rapport à Phénix ou Superphénix. Aussi, l’exigence ii/ visée ci-avant ne peut être garantie pour une barre d’arrêt à liaison par soudure. En outre, contrairement aux assemblages de barres d’arrêt de Superphénix pour lesquels la portion centrale et la bague sont réalisées en acier de même nuance, la portion centrale d’un assemblage de barre d’arrêt pour ASTRID est envisagée en acier ferritique, de type EM10 alors que la bague portepatins correspondante l’est en acier austénitique, dans une nuance 316Ti. La soudure entre ces deux pièces nécessiterait donc un traitement à haute température de stabilisation supplémentaire. Par conséquent, la fabrication d’une barre d’arrêt dédiée à ASTRID présente un risque supplémentaire avec l’absence de garantie du respect de la contrainte i/ précitée.
Ainsi, une liaison par soudage entre la portion centrale et la bague porte-patins n’est pas satisfaisante pour les assemblages (barres d’arrêt) dédiés à ASTRID.
Il existe donc un besoin de proposer une alternative aux liaisons sans soudure existantes, entre la PNS et la portion centrale (corps d’assemblage) d’un assemblage combustible ou entre une bague porte-patins et la portion centrale (corps d’assemblage) d’une barre de contrôle/commande, plus particulièrement d’une barre d’arrêt pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides, de type RNR-Na, notamment afin de répondre aux contraintes i/ à iii/ précitées et qu’elle puisse être réalisée en présence du faisceau d’aiguilles de combustible dans l’assemblage combustible, et dans le cas où les épaisseurs de paroi des éléments à lier sont minces.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention a pour objet un assemblage destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, notamment dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium RNR-Na, comportant :
- un corps creux d’assemblage, de forme allongée selon un axe longitudinal X, la paroi du corps creux comportant au moins une ouverture débouchante;
- un élément d’assemblage inséré au moins en partie dans le corps creux, l’élément d’assemblage comportant au moins une lame flexible dont l’extrémité libre est conformée en crochet d’encliquetage coopérant par encliquetage avec l’ouverture débouchante depuis l’intérieur du corps creux, de sorte à lier l’élément d’assemblage au corps creux;
- au moins un moyen amovible de verrouillage de la lame flexible encliquetée dans l’ouverture débouchante, le moyen amovible de verrouillage permettant d’empêcher la flexion de la lame flexible et ainsi de verrouiller la liaison entre l’élément d’assemblage et le corps creux.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à définir une liaison par encliquetage de l’extrémité libre en surépaisseur de lames flexibles de l’élément d’assemblage depuis l’intérieur du corps d’assemblage, avec un verrouillage mécanique amovible depuis l’extérieur de ce dernier.
Les avantages de la solution selon l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer les suivants.
Pour un assemblage combustible dédié à un réacteur de type RNR-Na:
- simplicité de réalisation, de qualification et probablement aussi de dimensionnement thermomécanique de la liaison en comparaison aux solutions connues de soudage, emboutissage et piétage (pions) détaillées en préambule. La contrainte i/ devrait être respectée pour un assemblage combustible avec la liaison et verrouillage selon l’invention ;
- faible glissement sous traction axiale de la tête d’assemblage (logeant la PNS) en comparaison à une solution de l’état de l’art par emboutissage, ou en tout cas glissement limité à la valeur du jeu latéral entre la surépaisseur de l’extrémité d’une lame flexible et l’ouverture débouchante dans le corps d’assemblage constitué par le tube à section hexagonale. La contrainte ii/ devrait être respectée pour un assemblage combustible avec la liaison et verrouillage selon l’invention ;
- possible réversibilité de la liaison démontable après irradiation de l’assemblage combustible, contrairement aux liaisons connues de soudage et d’emboutissage, ce qui pourrait permettre de multiples réutilisations de la tête d’assemblage avec en corollaire un gain économique, et une diminution de la quantité de déchets ;
- absence de risque de générer des corps migrant dans le circuit primaire du réacteur contrairement à la liaison connue par pions (risque de perte de pion). La contrainte iii/ devrait être respectée pour un assemblage combustible avec la liaison et verrouillage selon l’invention ;
- possibilité d’application de la liaison selon l’invention à la solution selon la demande FR3040234A1 pour lier le manchon hexagonal de renforcement des plaquettes au corps d’assemblage (tube hexagonal).
Pour une barre d’arrêt nucléaire dédiée à un réacteur nucléaire RNR-Na :
- absence de liaison soudée entre la bague porte-patins et le corps d’assemblage (tube hexagonal), ce qui simplifie la fabrication avec le respect de la contrainte i/ ;
- présence d’un seul tronçon de tube hexagonal intègre jusqu’à la tête d’assemblage, ce qui garantit une bonne tenue mécanique du corps d’assemblage avec le respect de la contrainte ii/ ;
- possibilité d’application de la liaison selon l’invention à la solution selon la demande FR3040234A1 pour lier le manchon hexagonal de renforcement des plaquettes au corps d’assemblage (tube hexagonal), le manchon de renforcement comportant en outre des patins dont la localisation peut être décalée par rapport aux plaquettes.
Le crochet d’encliquetage peut être avantageusement réalisé par une surépaisseur de l’extrémité libre de la lame flexible.
Selon un mode de réalisation avantageux, le corps creux est de section hexagonale et comportant une ouverture débouchante par face de l’hexagone, l’élément d’assemblage comportant une lame flexible encliquetée dans chacune des ouvertures débouchantes.
Le moyen amovible de verrouillage est avantageusement constitué par une vis de blocage, dont la position vissée dans la lame flexible permet d’empêcher sa flexion et son désencliquetage.
Selon une première variante de réalisation, chaque lame flexible est réalisée par découpe dans l’épaisseur de l’élément d’assemblage.
Selon cette première variante, la paroi du corps d’assemblage comprend au moins un alésage débouchant adapté pour permettre le passage de la vis de blocage depuis l’extérieur du corps creux et le logement de la tête de vis.
Selon une deuxième variante, chaque lame flexible est rapportée et fixée sur l’élément d’assemblage par une vis de fixation.
Selon cette deuxième variante, chaque vis de fixation est soudée à l’élément d’assemblage et/ou à la lame flexible dans sa position vissée.
Avantageusement, l’élément d’assemblage comprend au moins une cavité dans laquelle le crochet d’encliquetage peut venir se loger dans la position fléchie de la lame, la vis de blocage étant vissée au travers du crochet en étant logée dans la cavité lorsque la lame est encliquetée de sorte à empêcher la flexion de cette dernière.
L’assemblage qui vient d’être décrit peut constituer un assemblage combustible nucléaire, le corps creux étant la portion centrale formant un boîtier enveloppant des aiguilles de combustible, l’élément d’assemblage étant un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) ou la portion supérieure formant la tête de préhension de l’assemblage.
L’assemblage peut aussi constituer un assemblage non combustible choisi notamment parmi un assemblage réflecteur, un assemblage de Protection Neutronique Latérale (PNL), une barre d’arrêt et/ou de commande, un assemblage expérimental, un dispositif complémentaire de sûreté, un assemblage de mitigation.
Lorsque l’assemblage est une barre d’arrêt et/ou de commande, l’élément d’assemblage est la bague dite porte-patins insérée dans le corps creux formant un boîtier, le boîtier comportant sur sa périphérie extérieure au moins une plaquette d’espacement et au moins une paire d’ouvertures débouchantes de part et d’autre de la plaquette, la bague porte-patins comportant sur sa périphérie intérieure au moins un patin et au moins une paire de lames flexibles agencées de sorte que chaque crochet d’encliquetage de la paire de lames coopère par encliquetage avec l’une des ouvertures débouchantes.
L’invention concerne également un procédé de montage d’un assemblage décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :
a/ insertion par translation de l’élément d’assemblage dans le corps creux d’assemblage, de sorte à obtenir la flexion simultanée des lames flexibles vers l’intérieur du corps creux, descente de l’élément d’assemblage à l’intérieur du corps creux jusqu’à obtenir le retour en position des lames flexibles vers l’extérieur du corps creux avec l’encliquetage de leurs crochets dans les ouvertures débouchantes correspondantes du corps creux afin de lier ce dernier avec l’élément d’assemblage;
b/ verrouillage de chaque lame flexible encliquetée dans l’ouverture débouchante par le moyen amovible de verrouillage.
L’invention concerne également un procédé de démontage d’un assemblage décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes:
al/ déverrouillage de chaque lame flexible dont le crochet est encliqueté dans l’ouverture débouchante, en enlevant le moyen amovible de verrouillage;
bl/ application d’un effort radial sur le crochet de chaque lame flexible depuis l’extérieur de l’ouverture débouchante de sorte à provoquer la flexion simultanée des lames flexibles vers l’intérieur du corps creux avec le désencliquetage des crochets, cl/ extraction par translation de l’élément d’assemblage dans le corps creux d’assemblage.
Ces étapes al/ à cl/ sont de préférence réalisées à une température supérieure à 100°C afin de prévenir le gel du métal liquide, le sodium dans le cas d’un réacteur RNR-Na, résiduel présent dans les jeux de la liaison.
L’effort radial peut être avantageusement un effort perpendiculaire à l’axe des crochets.
Lorsque l’élément d’assemblage comporte une pluralité de lames flexibles dont les crochets sont encliquetés individuellement dans une ouverture débouchante du corps creux et qui sont verrouillées, l’étape b 1/ est de préférence réalisée par l’actionnement simultané de vérins, de préférence montés sur un même collier de centrage et agencés individuellement en regard d’une des ouvertures débouchantes.
La liaison selon l’invention pourrait être appliquée à tout type de réacteur nucléaire nécessitant d’assurer une liaison entre le corps de l’assemblage de section tubulaire, comme le tube à section hexagonale dans le réacteur ASTRID, et un autre élément, comme le corps de PNS pour un assemblage combustible ou la bague porte-patins d’une barre d’arrêt dédiés à ASTRID. Il peut s’agir de tous les réacteurs à neutrons rapides (sodium, gaz, plomb, plomb-bismuth, etc.).
La liaison selon l’invention serait plus généralement applicable à toute liaison entre un corps tubulaire constitutif d’un assemblage (corps d’assemblage, corps de barre absorbante, corps de PNS, corps de capsule expérimentale, déprimogène...) et un autre élément d’assemblage (pied, tête, bague porte-patins ...) devant s’insérer dans ou se raccorder en bout de cet élément tubulaire, indépendamment de la forme de ces éléments (hexagonale, cylindrique, rectangulaire...).
La présente invention est décrite en prenant comme exemple un assemblage combustible et une barre d’arrêt, mais elle est aussi applicable à tous les autres assemblages (réflecteurs, PNL, barres de commande, assemblages de mitigation, assemblages expérimentaux...).
Description détaillée
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue externe en perspective d’un assemblage combustible selon l’état de l’art, déjà utilisé dans un réacteur nucléaire refroidi au sodium RNR-Na ;
- la figure 2 est une vue en coupe de l’assemblage représenté en figure 1 ;
- les figures 3, 3A et 3B sont des vues externes en perspective respectivement d’une partie d’un assemblage combustible avec la liaison selon l’invention réalisée entre la portion centrale constituant le corps d’assemblage et le corps de PNS, le corps d’assemblage et le corps de PNS avant leur liaison ;
- les figures 4, 4A et 4B représentent les mêmes éléments des figures 3 à 3B sous une perspective différente ;
- les figures 5A et 5B montrent en vue de coupe longitudinale schématiquement une première variante de la liaison par lame flexible avec verrouillage selon l’invention dans un assemblage combustible, respectivement en position verrouillée et en cours de montage, dans le cas où la lame flexible est réalisée par découpe dans le corps de PNS ;
- les figures 6A et 6B montrent en vue de coupe longitudinale schématiquement une deuxième variante de la liaison par lame flexible avec verrouillage selon l’invention dans un assemblage combustible, respectivement en position verrouillée et en cours de montage, dans le cas où la lame flexible est montée sur le corps de PNS ;
- les figures 7A, 7, 8 et 8A sont des vues de la portion centrale au niveau de la bague porte-patins avec et sans la bague porte-patins en position montée ;
- les figures 9 et 10 illustrent le procédé de désinsertion d’un élément assemblé dans une pièce creuse selon l’invention.
Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments d’assemblage combustible et de dispositifs d’espacement à plaquettes selon l’art antérieur et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 10.
Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence par rapport à un assemblage combustible tels qu’il est en configuration verticale dans un réacteur nucléaire.
Les figures 1 et 2 relatives à l’état de l’art ont déjà été décrites en détail en préambule et ne sont donc pas commentées ci-après.
La liaison sans soudure selon l’invention entre le corps d’assemblage creux 12 (portion centrale) et un élément d’assemblage 14 qui est la PNS d’un assemblage combustible est représentée en figures 3 à 4B sous différents angles. La portion centrale 12 et la PNS 14 sont représentées en position montée ainsi que séparément.
Une surépaisseur 21 est réalisée au bout de la lame flexible 20 de la PNS et vient s’encliqueter en position montée, c’est-à-dire lorsque le corps de PNS 14 est inséré dans la portion centrale 12, dans une ouverture débouchant 122 de la portion centrale. De préférence, tel qu’illustré, la partie inférieure de la surépaisseur 21 est biseautée afin de faciliter la flexion de la lame 20 lors de l’engagement de la PNS à l’extrémité du tube hexagonal.
Comme montré aux figures 5A à 6B, une fois l’encliquetage de la surépaisseur 24 réalisé dans l’ouverture 122 du tube 12, l’épaulement 22 réalisé sur la partie supérieure de la PNS 14 vient en butée contre le dessus du tube 12 tandis que l’épaulement 24 réalisé sur la partie supérieure de la surépaisseur 21 est en butée contre le bord supérieur 124 de l’ouverture 122.
Selon cette variante illustrée, l’extraction de la PNS hors de la pièce creuse 12 est empêchée par le profil discontinu de la surépaisseur 21 défini par l’épaulement 24 en bout de lame, alors qu’une insertion plus prononcée de la PNS dans la pièce creuse 12 est empêchée par le profil défini par l’épaulement 22 de la PNS 14, dont la section extérieure au-dessus de la tête prévue pour l’insertion dans la pièce creuse est sensiblement identique à celle de la pièce creuse.
Ainsi, on obtient une liaison sans soudure qui permet de simplifier considérablement la fabrication et le dimensionnement d’un assemblage combustible tel que décrit. En outre, le risque d’introduction de corps migrants (vis, pion...) dans le circuit primaire est évité.
Comme illustré par les figures 5 A et 5B, la lame flexible 20 peut être respectivement taillée dans l’élément d’assemblage 14, dans le cas où ce dernier est de faible épaisseur.
De manière alternative, comme montré sur les figures 6A et 6B, la lame 20 peut être rapportée sur l’élément 14 grâce à une vis de fixation 40, dans le cas où l’élément 14 est d’épaisseur suffisante. Une fois la liaison montée, la vis de fixation 40 est elle-même sécurisée par la présence du tube 12.
En position montée illustrée par figures 5A et 6A, la lame flexible 20 est verrouillée mécaniquement, par une vis de blocage 42, rapportée après insertion de l’élément 14 dans la pièce creuse 12.
Dans la variante de la figure 5A, la vis de blocage 42 est vissée au travers d’un trou 123 prévu à cet effet dans le tube 12 dans un taraudage 23 réalisé dans la lame 20, ce taraudage 23 étant en regard du taraudage 123 dans la position encliquetée de la lame 20.
Dans la variante de la figure 6A, le blocage de la lame en flexion par la vis 42 est réalisé par son extrémité qui vient en butée contre le corps de l’élément d’assemblage 14.
Si une vis de blocage 42 est utilisée, une soudure d’arrêt doit être réalisée afin d’éviter son dévissage accidentel et donc de sécuriser sa position au sein de l’assemblage. Cette vis 42 n’a pas de fonction de résistance mécanique et donc le risque de perdre cette vis est minime. Par ailleurs la perte de cette vis n’entraînerait pas nécessairement la perte de la liaison. On veillera par conception à ce que la tête de la vis 42 soit noyée dans l’épaisseur du boîtier 12 ou de la lame flexible 20, afin que cette dernière ne dépasse pas du volume formé par le boîtier.
Comme illustré par les figures 5A et 5B, la lame flexible 20 comporte un débord 25 de quelques millimètres sur tout le pourtour de la surépaisseur 21. Ce débord 25 a pour fonction de recouvrir au mieux l’ouverture débouchante 122 du boîtier et ainsi de réaliser en quelque sorte une chicane pour le métal liquide, ce qui permet ainsi de minimiser la fuite du métal au travers de cette ouverture.
Les figures 7A à 8A illustrent la liaison sans soudure selon l’invention dans une barre d’arrêt entre une bague porte-patins 17 et une pièce creuse 12, les patins 18 étant situés au même plan que les plaquettes d’espacement 121 de la pièce creuse 12. Les deux pièces sont représentées séparément ainsi qu’en position montée.
Les lames flexibles 20 sont ici au nombre de deux sur une même face de la bague 17 orientée selon deux directions opposées, de façon à ce qu’en position montée les surépaisseurs 21 verrouillent la position de la bague porte-patins aussi bien par rapport à un mouvement ascendant que par rapport à un mouvement descendant de la bague au sein de la pièce creuse.
Un autre avantage d’une liaison selon l’invention consiste en la possibilité de désassembler assez facilement un assemblage selon l’invention, même irradié. Ainsi une tête d’assemblage par exemple, beaucoup moins irradiée qu’une portion centrale, pourrait être réutilisée, entraînant des gains en termes d’économie et de gestion des déchets.
Un mode de désinsertion de deux éléments assemblés selon l’invention est présenté en figures 9 et 10. Dans cet exemple, un collier 3 supportant des vérins 30 est inséré autour de la pièce creuse 12. Le nombre de vérins 30 est égal à celui des lames flexibles 20, 21. Chaque vérin est agencé en regard d’une surépaisseur 21 de lame 20.
Lorsqu’on souhaite réaliser le démontage de l’assemblage, les vérins 30 sont actionnés simultanément et viennent ainsi appliquer une pression radiale sur la surépaisseur 21 de chaque lame, de sorte que l’élément 14 ne soit plus lié à la pièce creuse 12 et puisse en être extrait par une translation ascendante.
D’autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Ainsi, si dans les modes illustrés, le blocage des lames flexibles est assuré par une vis de blocage, on peut aussi envisager de bloquer en flexion une lame flexible par un anneau élastique intérieur qui serait logé dans une gorge prévue à cet effet à l’intérieur dans la lame flexible.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. On peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
L’expression « comportant un » doit être comprise comme signifiant « comportant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Assemblage destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, notamment dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium RNR-Na, comportant :
    - un corps creux d’assemblage (12), de forme allongée selon un axe longitudinal X, la paroi du corps creux comportant au moins une ouverture débouchante ;
    - un élément d’assemblage (14) inséré au moins en partie dans le corps creux (12), l’élément d’assemblage (14) comportant au moins une lame flexible (20) dont l’extrémité libre est conformée en crochet d’encliquetage (21) coopérant par encliquetage avec l’ouverture débouchante depuis l’intérieur du corps creux, de sorte à lier l’élément d’assemblage au corps creux;
    - au moins un moyen amovible de verrouillage de la lame flexible (20) encliquetée dans l’ouverture débouchante (122), le moyen amovible de verrouillage permettant d’empêcher la flexion de la lame flexible et ainsi de verrouiller la liaison entre l’élément d’assemblage (14) et le corps creux (12).
  2. 2. Assemblage selon la revendication 1, le crochet d’encliquetage étant réalisé par une surépaisseur de l’extrémité libre de la lame flexible.
  3. 3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2 le corps creux (12) étant de section hexagonale et comportant une ouverture débouchante par face de l’hexagone, l’élément d’assemblage comportant une lame flexible encliquetée dans chacune des ouvertures débouchantes.
  4. 4. Assemblage selon l’une des revendications 1 à 3, le moyen amovible de verrouillage étant constitué par une vis de blocage (42), dont la position vissée dans la lame flexible permet d’empêcher sa flexion et son désencliquetage.
  5. 5. Assemblage selon l’une des revendications précédentes, chaque lame flexible (20) étant réalisée par découpe dans l’épaisseur de l’élément d’assemblage (14).
  6. 6. Assemblage selon la revendication 4 en combinaison avec la revendication 5, la paroi du corps d’assemblage comprenant au moins un alésage débouchant adapté pour permettre le passage de la vis de blocage depuis l’extérieur du corps creux et le logement de la tête de vis.
  7. 7. Assemblage selon l’une des revendications 1 à 4, chaque lame flexible (20) étant rapportée et fixée sur l’élément d’assemblage (14) par une vis de fixation (40).
  8. 8. Assemblage selon la revendication 7, chaque vis de fixation étant soudée à l’élément d’assemblage et/ou à la lame flexible dans sa position vissée.
  9. 9. Assemblage selon la revendication 4 en combinaison avec l’une des revendications 7 ou 8, l’élément d’assemblage comprenant au moins une cavité dans laquelle le crochet d’encliquetage peut venir se loger dans la position fléchie de la lame, la vis de blocage étant vissée au travers du crochet en étant logée dans la cavité lorsque la lame est encliquetée de sorte à empêcher la flexion de cette dernière.
  10. 10. Assemblage selon Tune des revendications précédentes, constituant un assemblage combustible nucléaire, le corps creux (12) étant la portion centrale formant un boîtier enveloppant des aiguilles de combustible (120), l’élément d’assemblage (14) étant un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) ou la portion supérieure formant la tête de préhension de l’assemblage.
  11. 11. Assemblage selon Tune des revendications 1 à 9, constituant un assemblage non combustible choisi notamment parmi un assemblage réflecteur, un assemblage de Protection Neutronique Latérale (PNL), une barre d’arrêt et/ou de commande, un assemblage expérimental, un dispositif complémentaire de sûreté, un assemblage de mitigation.
  12. 12. Barre d’arrêt et/ou de commande selon la revendication 11, l’élément d’assemblage (14) étant la bague dite porte-patins insérée dans le corps creux formant un boîtier (12), le boîtier comportant sur sa périphérie extérieure au moins une plaquette d’espacement et au moins une paire d’ouvertures débouchantes de part et d’autre de la plaquette, la bague portepatins comportant sur sa périphérie intérieure au moins un patin et au moins une paire de lames flexibles agencées de sorte que chaque crochet d’encliquetage de la paire de lames coopère par encliquetage avec Tune des ouvertures débouchantes.
  13. 13. Procédé de montage d’un assemblage selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    a/ insertion par translation de l’élément d’assemblage (14) dans le corps creux d’assemblage (12), de sorte à obtenir la flexion simultanée des lames flexibles (20) vers l’intérieur du corps creux, descente de l’élément d’assemblage à l’intérieur du corps creux jusqu’à obtenir le retour en position des lames flexibles avec l’encliquetage de leurs crochets dans les ouvertures débouchantes (121) correspondantes du corps creux afin de lier ce dernier avec l’élément d’assemblage;
    b/ verrouillage de chaque lame flexible (20) encliquetée dans l’ouverture débouchante (121) par le moyen amovible de verrouillage (41, 42).
  14. 14. Procédé de démontage d’un assemblage selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    al/ déverrouillage de chaque lame flexible (20) dont le crochet est encliqueté dans l’ouverture débouchante (121), en enlevant le moyen amovible de verrouillage (41, 42) ;
    b 1/ application d’un effort radial sur le crochet de chaque lame flexible (20) depuis l’extérieur de l’ouverture débouchante de sorte à provoquer la flexion simultanée des lames flexibles vers l’intérieur du corps creux avec le désencliquetage des crochets, cl/ extraction par translation de l’élément d’assemblage (14) dans le corps creux d’assemblage (12).
  15. 15. Procédé de démontage selon la revendication 14, l’élément d’assemblage comportant une pluralité de lames flexibles dont les crochets sont encliquetés individuellement
    5 dans une ouverture débouchante du corps creux et qui sont verrouillées, l’étape b 1/ étant réalisée par l’actionnement simultané de vérins, de préférence montés sur un même collier de centrage, et agencés individuellement en regard d’une des ouvertures débouchantes.
  16. 16. Utilisation d’un assemblage (1) selon l’une des revendications 1 à 12 dans un réacteur à neutrons rapides, de préférence refroidi au gaz ou au métal liquide, le métal liquide
    10 étant choisi parmi le sodium, le plomb ou le plomb-bismuth.
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